记忆是如何存储在大脑中的，如何对创伤后应激障碍等疾病产生潜在的影响？
图像:由研究团队开发的专门软件根据三维显微镜的图像创建了突触的特定位置和大小的地图。比较学习前后的突触图，我们可以识别出在学习过程中产生或消除的突触。右图中的红线显示了大脑中显示总体收益和总体损失的区域之间的边界。
资料来源:南加州大学
当记忆形成时，大脑会发生什么物理变化?
南加州大学(University of Southern California)的一组研究人员首次回答了这个问题。他们在斑马鱼幼虫体内诱导记忆，然后用点亮的脑细胞绘制出它们透明头部的变化，就像新年前夜的时代广场一样。
经过六年的研究，他们取得了突破性的发现，学习导致突触(神经元之间的连接)在某些区域增殖，而在其他区域消失，而不是像人们通常认为的那样仅仅改变了它们的强度。这些突触的变化可能有助于解释记忆是如何形成的，以及为什么某些类型的记忆比其他类型的更强。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，由南加州大学的唐·阿诺德、斯科特·e·弗雷泽和卡尔·凯塞尔曼领导。
新方法和工具
这项研究之所以成为可能，要归功于南加州大学发明的一种新型细胞标记和一种定制的显微镜。研究人员还开发了一种先进的方法来跟踪和存档收集到的数据，以使他们的发现尽可能地容易获得和重现。
在他们的工作之前，如果不修改突触的结构和功能，就不可能确定突触在活的大脑中的位置，这使得比较记忆形成前后的情况变得不可行。
通过多学科合作的南加州大学维特比工程学院工程和字母的南加利福尼亚文理学院,艺术与科学学院的团队能够确定第一次突触的强度和位置前后大脑中学习生活的斑马鱼,动物常用来研究大脑功能。斑马鱼的大脑足够大，可以像我们一样工作，但又足够小和透明，可以提供一扇进入活体大脑的窗户。通过保持完整的鱼存活，他们能够在一段时间内比较同一大脑中的突触，这是神经科学领域的一个突破。
为了创造可以测量的记忆，研究小组不得不想出新的方法来诱导斑马鱼幼虫学习。他们通过训练这条12天大的鱼，让它将打开的灯与红外激光加热头部联系起来，他们试图通过游开来避免这种行为。学会将光线与即将到来的激光联系起来的鱼会甩动它们的尾巴，表明它们已经学会了。经过5个小时的训练，该团队能够观察并捕捉到这些斑马鱼大脑的显著变化。
除了创建这个新方法,阿诺德,南加利福尼亚文理神经科学家和生物科学和生物医学工程教授,领导一个团队,创建新的方法改变鱼的DNA突触的强度和位置将标志着一个发光的荧光蛋白由激光扫描。
阿诺德说:“我们的探测器可以在不改变其结构或功能的情况下标记活大脑中的突触，这在以前的工具中是不可能的。”
这使得弗雷泽团队开发的专用显微镜能够扫描大脑和突触所在的图像。
“显微镜,我们构建了适合解决这一成像挑战和提取我们需要的知识,”弗雷泽说,一位院长,南加州大学的生物科学和生物医学工程教授迈克尔逊收敛生物科学中心预约在南加州大学维特比工程,南加利福尼亚文理,南加州大学凯克医学院的。“有时，你试图获得如此壮观的图像，你会杀死你正在看的东西。在这个实验中，我们必须找到一个合适的平衡点，既要得到足够好的图像来得到答案，又不要太壮观，以至于我们会用光子杀死鱼。”
通过这种创新的显微镜，他们能够观察活体动物的变化，并获得同一标本变化前后的图片。在此之前，因为实验是在死亡的标本上进行的，他们只能比较两个不同的大脑，一个是条件反射的，一个不是。
弗雷泽说:“这是忍者成像，我们在不被发现的情况下偷偷潜入。”
结果是需要处理和分析数以百计的图像和实验。第三组,由Kesselman一起,南加州大学的计算机科学家迈克耳逊收敛生物科学中心和威廉·h·凯克南加州大学维特比工程教授,开发创新的新算法,使这一切成为可能的同时跟踪大而复杂的实验,进行调查的时间。
令人惊讶的结果
分析这些图像时，主要的收获是:不是记忆改变了现有突触的强度，而是大脑某一部分的突触被破坏，而在大脑的另一个区域产生了全新的突触。
“在过去的40年里，人们普遍认为，你可以通过改变突触的强度来学习，”作为南加州大学信息科学研究所(USC Information Sciences Institute)信息学部门的主任，同时也是丹尼尔·j·爱泼斯坦(Daniel J. Epstein)工业与系统工程系的教授，Kesselman说，“但这不是我们在这个案例中发现的。”
“这是我们可能得到的最好的结果，”阿诺德说，“因为我们看到了突触数量的戏剧性变化——一些消失，一些形成，我们在大脑的一个非常明显的部分看到了它。”这个理论认为突触会改变它们的强度。但令我惊讶的是，我们看到了推挽现象，而且我们没有看到突触强度的变化。”
研究结果表明，突触数量的变化在实验中对记忆进行编码，这可能有助于解释为什么消极的联想记忆，比如那些与创伤后应激障碍(pTSD)相关的记忆如此强大。
“人们一直认为，记忆的形成主要涉及对现有突触连接的重塑，”阿诺德说，“然而，在这项研究中，我们发现了突触的形成和消除，但我们只看到了现有突触强度的微小、随机变化。”这可能是因为这项研究集中在联想记忆上，联想记忆比其他记忆更强大，而且形成于大脑的不同部位——杏仁核，而其他大部分记忆是在海马体中形成的。这也许有一天会与创伤后应激障碍(pTSD)有关，pTSD被认为是通过联想记忆的形成来调节的。”
这篇论文和相关研究的一个不同寻常的方面是，它关注的是如何使调查结果尽可能透明和可复制，使与论文相关的每一项数据都可以在公开的网站上搜索和提供给任何科学家，映射动态Synaptome (http://synapse.isrd.isi.edu)。所有数据和代码的可访问性是复制科学结果的必要条件，然而，对所有用于生成论文的数据的访问却很少实现。例如，最近的研究表明，只有20%的癌症研究是可重复的，因为数据是不可用的。
“南加州大学的团队为数据访问设置了一个新的标准，在六年的调查期间产生的每一块数据都被捕获和组织为这项研究，”设计了这个新范例的Kesselman说。“我们从一开始就解决了这个问题，创建了一个用于数据共享和数据分析的综合系统。它在我们做实验时很有用，因为团队可以随时访问数据，它将指导那些想要在未来使用我们的工作的人。”
弗雷泽说:“我真的相信这是研究透明度的未来，一个新时代，而南加州大学走在了这条曲线的前面。”
文章标题Regional synapse gain & loss accompany memory formation in larval zebrafish
